(57)【要約】【課題】高濃度で沸点の高い油類等の分解処理を行なうとともに、そのときの放電発生条件を最適化した効率的な処理を可能とするコンパクトで低コストの液体処理装置を得る。【解決手段】液体処理装置は、被処理液体２よりも沸点の低い第２液体１０を被処理液体と混合することにより、第２液体１０の性質を利用して混合液体中にキャビテーション気泡を発生させて放電プラズマによる処理を行なう。また、監視装置１３で放電プラズマの状態を監視して、調整弁１２の開閉作動を行なう構成である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理液と、この被処理液よりも沸点の低い第２液体との混合液中にキャビテーション気泡を発生させ、キャビテーション発生空間へ供給するノズルと、
前記キャビテーション発生空間に対向して設けられた対向電極を備え、この対向電極間に高電圧が印加されることにより、前記キャビテーション発生空間に放電プラズマを発生する放電部と、
前記キャビテーション発生空間における前記キャビテーション気泡のプラズマの状態に応じて、前記混合液中の前記第２液体の量を調整する制御部とを備えたことを特徴とする液体処理装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記ノズルと前記キャビテーション発生空間との間に設けられた注入管と、前記注入管の中途に配設された調整弁と、前記プラズマの状態を監視する監視装置とを備え、前記プラズマの状態に応じて前記調整弁の開閉作動を行なうことにより前記第２液体の混合量を調整することを特徴とする請求項１記載の液体処理装置。
【請求項３】
前記ノズルの前段に配置され、前記被処理液に圧力を加えて前記ノズルに供給するポンプと、
前記ポンプの前段又は前記ポンプのサクション部に接続され、前記第２液体を注入する注入管と、前記注入管の中途に配設された調整弁と、前記プラズマの状態を監視する監視装置とを備え、前記プラズマの状態に応じて前記調整弁の開閉作動を行なうことにより前記第２液体の混合量を調整することを特徴とする請求項１記載の液体処理装置。
【請求項４】
前記第２液体は、分子構造にＯＨ基（水酸基）を有することを特徴とする請求項１乃至３記載の液体処理装置。
【請求項５】
前記監視装置は、前記プラズマの放電光強度を測定することを特徴とする請求項１乃至４記載の液体処理装置。
【請求項６】
前記監視装置は、前記プラズマの放電電圧を測定することを特徴とする請求項１乃至４記載の液体処理装置。
【請求項７】
前記監視装置は、前記プラズマの放電電流を測定することを特徴とする請求項１乃至４記載の液体処理装置。
【請求項８】
前記被処理液は前記第２液体よりも沸点の高い油類であることを特徴とする請求項１乃至７記載の液体処理装置。
【請求項９】
前記被処理液はポリ塩化ビフェニル化合物を含むことを特徴とする請求項８記載の液体処理装置。
【請求項１０】
被処理液と、この被処理液よりも沸点の低い第２液体との混合液中にキャビテーション気泡を発生させ、キャビテーション発生空間へ供給する工程と、
前記キャビテーション発生空間の対向電極間に高電圧を印加し、前記キャビテーション発生空間に放電プラズマを発生する工程と、
前記キャビテーション発生空間における前記キャビテーション気泡のプラズマの状態に応じて、前記混合液中の前記第２液体の量を調整する工程とを有することを特徴とする液体処理方法。
【請求項１１】
前記調整工程は、
前記プラズマの状態を監視する工程と、
前記監視の結果に基づいて、前記第２液体の供給量を調整することにより前記混合液中の前記第２液体の量を調整する工程とを有することを特徴とする請求項１０記載の液体処理方法。
【請求項１２】
前記第２液体は、分子構造にＯＨ基（水酸基）を有することを特徴とする請求項１０または１１記載の液体処理方法。
【請求項１３】
前記被処理液は前記第２液体よりも沸点の高い油類であることを特徴とする請求項１０乃至１２記載の液体処理方法。
【請求項１４】
前記被処理液はポリ塩化ビフェニル化合物を含むことを特徴とする請求項１３記載の液体処理方法。
【請求項１５】
油類である被処理液と、この被処理液よりも沸点の低い第２液体との混合液中にキャビテーション気泡を発生させ、キャビテーション発生空間へ供給する工程と、
前記キャビテーション発生空間の対向電極間に高電圧を印加し、前記キャビテーション発生空間に放電プラズマを発生させる工程とにより、
前記被処理液の分解処理を行う液体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上水、下水、産業排水、ゴミ処理場浸出水、畜産排水、工業用排水、食品加工用排水、半導体等洗浄用排水、プール用水、船舶用バラスト用排水、河川・湖沼等の汚染水等における有機物、微生物、細菌類もしくはアンモニア含有水等の水処理、及び農薬やＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニル）、ダイオキシン等の有機性有害物質の分解除去、あるいはナノカーボン材料の表面改質、またはその他の有機材料合成を行なう液体処理装置および液体処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、廃水等の液体中に含まれる有害あるいは不快な要因となる、有機物や細菌類の処理に、放電等により生成されるオゾンやＯＨラジカル等の活性種を利用して浄化を行なう処理方式が定着しつつある。
オゾンやＯＨラジカル等の活性種は、それ自身がもつ強力な酸化力で液中に溶解している溶存性の有機物を酸化分解する作用があり、上下水のみならず産業用廃水、プール用水、船舶用バラスト用廃水等の各種用廃水のＣＯＤ、脱色、脱臭、殺菌、有害な難分解性有機物等の除去手段として導入が広がりつつある。
【０００３】
オゾンを利用した一般的な処理方法としては、空気または高濃度酸素を放電空間に通気して気体オゾンを生成し、これを散気装置等により液中に溶解して除去対象物質に接触反応させるといったものである。しかし、この方法は電力効率が低いこと、大型の装置、高いコスト等の問題がある。この対策として、液中に設置した電極間で空気や酸素を積極的且つ効率的に曝気することによって微細気泡を発生させ、こうした液中内の気泡空間で放電を発生させるといった方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、放電空間を形成するための微細気泡を生成するために、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備が付随されている。同時に液中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス処理設備が必要であること等、コンパクト化、低コスト化は極めて困難である。また、微細化された気泡中の圧力は、ほぼ大気圧と同等か、それよりも高い圧力となっている。このため、放電空間を形成するときの放電開始電圧が高く、高電圧印加が必要であるため受電設備が大規模になる。
【０００４】
このようなことから、通水管路内にキャビテーション気泡を発生させ、この微細な気泡を利用して放電プラズマを形成し、水等液体の処理を行なう装置が本願発明者らにより提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平５−３１９８０７
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ２００７／１３８７７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記文献２に示された液体処理装置では、被処理液体が水である場合は、ポンプで０．１〜１．５ＭＰａ程度に加圧してリアクターに送給することにより、リアクター内部のノズルを通過した際、水が気化して無数の極微小キャビテーション気泡が発生する。このため、一般的なポンプの運転条件範囲内において比較的容易に処理を行なうことが可能である。
【０００６】
しかしながら、上記文献２に示された液体処理装置では、ＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニル化合物）等の高濃度で沸点の高い油類を分解処理する場合、被処理液中にキャビテーションを発生させることが困難であり、処理可能な液体の種類が限られていた。また、水中の有害有機物を分解処理する場合においても、キャビテーションを発生させるためのポンプや高電圧電源等の運転条件が被処理液体の性質に制約されており、運転電力低減等により処理効率を向上させることには限界があった。
【０００７】
本願発明者は、かかる点を鑑み、鋭意工夫することにより、上記文献２に示された発明を改良し、新たな優れた発明を創出した。
本発明の目的とするところは、環境に悪影響を与える可能性のある沸点の高い油類等の被処理液体の分解処理を簡易に行なうことができる液体処理装置および液体処理方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明の他の目的は、上記のような被処理液体をプラズマ化する場合、放電発生条件を最適化でき、効率的な処理を可能とした液体処理装置および液体処理方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は以下のような構成を有する。
（１）被処理液と、この被処理液よりも沸点の低い第２液体との混合液中にキャビテーション気泡を発生させ、キャビテーション発生空間へ供給するノズルと、
前記キャビテーション発生空間に対向して設けられた対向電極を備え、この対向電極間に高電圧が印加されることにより、前記キャビテーション発生空間に放電プラズマを発生させる放電部と、
前記キャビテーション発生空間における前記キャビテーション気泡のプラズマの状態に応じて、前記混合液中の前記第２液体の量を調整する制御部とを備えた液体処理装置である。
（２）前記制御部は、前記ノズルと前記キャビテーション発生空間との間に設けられた注入管と、前記注入管の中途に配設された調整弁と、前記プラズマの状態を監視する監視装置とを備え、前記プラズマの状態に応じて前記調整弁の開閉作動を行なうことにより前記第２液体の混合量を調整する上記（１）記載の液体処理装置である。
（３）前記ノズルの前段に配置され、前記被処理液に圧力を加えて前記ノズルに供給するポンプと、
前記ポンプの前段又は前記ポンプのサクション部に接続され、前記第２液体を注入する注入管と、前記注入管の中途に配設された調整弁と、前記プラズマの状態を監視する監視装置とを備え、前記プラズマの状態に応じて前記調整弁の開閉作動を行なうことにより前記第２液体の混合量を調整する上記（１）記載の液体処理装置である。
（４）前記第２液体は、分子構造にＯＨ基（水酸基）を有する上記（１）乃至（３）記載の液体処理装置である。
（５）前記監視装置は、前記プラズマの放電光強度を測定する上記（１）乃至（４）記載の液体処理装置である。
（６）前記監視装置は、前記プラズマの放電電圧を測定する上記（１）乃至（４）記載の液体処理装置である。
（７）前記監視装置は、前記プラズマの放電電流を測定する上記（１）乃至（４）記載の液体処理装置である。
（８）前記被処理液は前記第２液体よりも沸点の高い油類である上記（１）乃至（７）記載の液体処理装置である。
（９）前記被処理液はポリ塩化ビフェニル化合物を含む上記（８）記載の液体処理装置である。
(１０)被処理液と、この被処理液よりも沸点の低い第2液体との混合液中にキャビテーション気泡を発生させ、キャビテーション発生空間へ供給する工程と、
前記キャビテーション発生空間の対向電極間に高電圧を印加し、前記キャビテーション発生空間に放電プラズマを発生する工程と、
前記キャビテーション発生空間における前記キャビテーション気泡のプラズマの状態に応じて、前記混合液中の前記第２液体の量を調整する工程とを有する液体処理方法である。
(１１)前記調整工程は、
前記プラズマの状態を監視する工程と、
前記監視の結果に基づいて、前記第２液体の供給量を調整することにより前記混合液中の前記第２液体の量を調整する工程とを有する上記（１０）記載の液体処理方法である。
(１２)前記第２液体は、分子構造にＯＨ基（水酸基）を有する上記（１０）または（１１）記載の液体処理方法である。
(１３)前記被処理液は前記第２液体よりも沸点の高い油類である上記（１０）乃至（１２）記載の液体処理方法である。
(１４)前記被処理液はポリ塩化ビフェニル化合物を含む上記（１３）記載の液体処理方法である。
（１５）油類である被処理液と、この被処理液よりも沸点の低い第２液体との混合液中にキャビテーション気泡を発生させ、キャビテーション発生空間へ供給する工程と、
前記キャビテーション発生空間の対向電極間に高電圧を印加し、前記キャビテーション発生空間に放電プラズマを発生させる工程とにより、
前記被処理液の分解処理を行う液体処理方法である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、被処理液よりも沸点の低い第２液体を被処理液体と混合することにより、第２液体の性質を利用して混合液体中にキャビテーション気泡を発生させることができる。また、キャビテーション気泡のプラズマ状態に応じて混合液中の第２液体の量を調整することにより、放電による処理効率を最適化するとともに、第２液体の消費量を最小限に設定することができる。その結果、第２液体の無駄な消費を無くすことができる。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明により得られる効果に加え、ノズルの直後に第２液体を注入する注入管を設置することにより、混合手段や動力を要することなく、ノズルの後段に生じる真空圧力を利用して第２液体を吸入することができる。これにより被処理液と第２液体とを効率良く攪拌混合することができる。
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明により得られる効果に加え、ポンプの前段又はポンプのサクション部に調整弁を接続したことにより、混合手段や動力を要することなく、ポンプの前段又はポンプのサクション部に生じる真空圧力を利用して第２液体を吸入することができる。そして、ポンプの回転力を利用して被処理液と第２液体とを容易且つ効率良く攪拌混合することができる。
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３記載の発明により得られる効果に加え、混合液中の有機物を効果的に分解することができる。すなわち、第２液体の分子構造内にＯＨ基（水酸基）を有する物質を用いているので、放電プラズマにより第２液体の分子間結合は解離し、混合液中に強力な酸化力を有するＯＨラジカルが生成する。このＯＨラジカルは即座に有機物を酸化分解する能力を有するため、効果的な処理が可能となる。
請求項５乃至７記載の発明によれば、請求項１乃至４記載の発明により得られる効果に加え、プラズマの状態を的確に監視することができるので、第２液体の適切な注入量を把握することができ、効率の高い処理が可能となる
請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至７記載の発明により得られる効果に加え、高濃度で沸点の高い油類中においても、容易にキャビテーション気泡を発生させた放電による処理が可能になる。
請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至８記載の発明により得られる効果に加え、
環境に悪影響を与える可能性のある沸点の高い油類等の中でも代表的なＰＣＢにおいて、容易にキャビテーション気泡を発生させた放電による処理が可能になる。
請求項１０記載の発明によれば、被処理液よりも沸点の低い第２液体を被処理液体と混合することにより、第２液体の性質を利用して混合液体中にキャビテーション気泡を発生させることができる。また、キャビテーション気泡のプラズマ状態に応じて混合液中の第２液体の量を調整することにより、放電による処理効率を最適化するとともに、第２液体の消費量を最小限に設定することができる。その結果、第２液体の無駄な消費を無くすことができる。
請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の発明により得られる効果に加え、プラズマの状態を的確に監視することができるので、第２液体の適切な注入量を把握することができ、効率の高い処理が可能となる
請求項１２記載の発明によれば、請求項１０または１１記載の発明により得られる効果に加え、混合液中の有機物を効果的に分解することができる。すなわち、第２液体の分子構造内にＯＨ基（水酸基）を有する物質を用いているので、放電プラズマにより第２液体の分子間結合は解離し、混合液中に強力な酸化力を有するＯＨラジカルが生成する。このＯＨラジカルは即座に有機物を酸化分解する能力を有するため、効果的な処理が可能となる。
請求項１３記載の発明によれば、請求項１０乃至１２記載の発明により得られる効果に加え、高濃度で沸点の高い油類中においても、容易にキャビテーション気泡を発生させた放電による処理が可能になる。
請求項１４記載の発明によれば、請求項１３記載の発明により得られる効果に加え、
環境に悪影響を与える可能性のある沸点の高い油類等の中でも代表的なＰＣＢにおいて、容易にキャビテーション気泡を発生させた放電による処理が可能になる。
請求項１５記載の発明によれば、被処理液よりも沸点の低い第２液体を被処理液体と混合することにより、第２液体の性質を利用して混合液体中にキャビテーション気泡を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態における図面では、発明の理解を容易にするため、一部の要素においては模式的に示されている。本欄における複数の実施形態では、同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
図１は、本実施形態に係る液体処理装置を示す概略構成図である。この液体処理装置は処理槽１、この処理槽１内に貯留された処理液９、ポンプ３、リアクター４、高周波を発生する電源８に接続された電極５、基準電源（本形態では接地）に接続された電極６、放電部７を備える。
【００１１】
本実施形態では、処理槽１に貯留した処理液９から被処理液２をポンプ３でリアクター４に送給して循環処理を行なうものである。本形態では、ＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニル化合物）等の有害な油類を被処理液２とし、この分解処理を行なう液体処理装置について説明する。
リアクター４は、本体４ａとノズル４ｂからなる。被処理液２はポンプ３を利用して一定の圧力でリアクター４に加圧送給される。リアクター４の管路内に設置されたノズル４ｂはベンチュリ−構造を有しており、ノズルの先端の最縮小部４ｃを通過直後、この後段近傍のキャビテーション発生空間では急激な圧力低下が生じる。そのとき液体の沸点以下になった領域では沸騰現象が生じ、無数の小さなキャビテーション気泡が発生する。本体４ａ内のノズルの後段近傍のキャビテーション発生空間には、電極５と電極６を対向させた放電部７がある。この放電部７にはキャビテーション気泡が発生しており、電源８から正弦状波形、パルス波形もしくは矩形等の高電圧を印加することにより、放電部７の通水管路空間には放電プラズマが形成される。
【００１２】
図１の液体処理装置は、さらに、第２液体１０をリアクター４へ注入する注入管１０、第２液体の注入量を調整する調整弁１２、放電部７におけるプラズマの状態を監視する監視装置１３、監視装置１３の監視に基づいて調整弁１２の開閉を制御し、第２液体１０の注注入量を制御するコントローラ１４を備える。
【００１３】
本発明が上記特許文献２と異なる原理及び構成は、被処理液よりも沸点の低い第２液体１０を被処理液体と混合することにより、第２液体の性質を利用して混合液体中にキャビテーション気泡を発生させる点である。
【００１４】
本実施形態では、混合液体中にキャビテーション気泡を効率よく発生させるため、ノズルの直後に第２液体を注入する注入管１１を設置している。注入管１１の中途には調整弁１２を配設される。そして、キャビテーション発生空間において発生するプラズマの状態を監視する監視装置１３を設け、その監視結果に基づいて、コントローラ１４が調整弁１２の開閉作動を行なうようにしている。
【００１５】
本実施形態では、第２液体１０は、分子構造内にＯＨ基（水酸基）を有する物質を用いている。
【００１６】
本実施形態の監視装置１３には、プラズマの放電光強度を測定する放電光強度測定装置、プラズマの放電電圧を測定する放電電圧測定装置又はプラズマの放電電流を測定する放電電流測定装置のいずれかが用いられている。本発明の目的を達成するため、その他のプラズマの状態変化を捉えることができる測定装置を用いることは可能である。
【００１７】
本実施形態の液体処理装置の動作について説明する。
処理槽１に貯留している被処理液２をポンプ３によりリアクター４に圧送すると、ノズル４ｂの出口近傍に負圧が生じる。この場合、絶縁油としてトランス等に使用され毒性の高いＰＣＢ等の沸点が高い物質については、通常のポンプ圧ではキャビテーションが発生しない。そこで、表１に示されるような、このような物質よりも圧倒的に沸点の低いアルコール類等のＯＨ基（水酸基）を有する第２液体１０を、注入管１１からノズル４ｂ近傍に発生した負圧を利用してリアクター４内に吸入する。リアクター４内に吸入された第２液体１０は強力な乱流により被処理液体２中で混合される。これとほぼ同時に、真空圧力により沸点が降下したリアクター内部で極微小なキャビテーション気泡が発生する。
【００１８】
ついで、電源８により、電極５と電極６間に高電圧を印加すると、キャビテーション発生空間において放電プラズマが形成される。
キャビテーション気泡は激しい攪拌によりリアクター４の管路内に広く形成された放電に接触することにより、キャビテーション気泡中に含まれる蒸気や酸素が高密度の電気エネルギーによって励起され、ＯＨラジカル等の活性種が生成される。これらは速やかに被処理液中に溶け込み、キャビテーション気泡やキャビテーション気泡の消滅に伴う激しい乱流により均一に拡散され、ＯＨラジカルの強力な酸化分解力で分子結合鎖が分解されることにより無害化処理が行なわれる。
【００１９】
このように、沸点が高くキャビテーション気泡を発生させることが困難な液体においても、被処理液よりも沸点の低い第２流体を注入混合することにより容易にキャビテーション気泡を発生させることができ、放電による処理が可能になる。本実施形態のようにノズル４ｂの直後に第２液体を注入する注入管１１を設置することにより、他に混合設備や動力を要することなく、ノズルの後段に生じる真空圧力を利用して第２液体を吸入し、容易且つ効率良く攪拌混合することができる。
本実施形態では、ＰＣＢに対する第２液体１０として表１に示されるようにＰＣＢより沸点が低い液体を用いることができる。
【００２０】
【表１】
2010022991.tif 000003
【００２１】
一方、注入管１１の中途に調整弁１２を配設し、放電プラズマの状態を監視する監視装置１３から得られるデータに基づいて第２液体の注入量の調整を行なう。
例えば、水を対象とした際のキャビテーション気泡発生空間における放電プラズマの発光分光計測結果を図２に示す。図において、水分子が解離して生成したＯＨラジカルのスペクトルが確認できる。このスペクトルのピーク強度は放電の状態によって変動し、ピーク強度が大きいほど処理効果は増大する。すなわち、第２液体の注入量によって放電状態は変動し、この変動によってスペクトルの強度も変化する。
このように、分光スペクトルのピーク強度を計測し、処理に最適な計測値に基づいてコントローラ１４を介して調整弁１２の開閉制御を行なうことにより、第２液体の注入量の適切な注入操作を行ない、放電発生の最適条件下において効率的な処理が可能となる。
【００２２】
図３には他の実施形態に係る液体処理装置が示される。
本実施形態では、ポンプ３のサクション部３ｂに第２液体１０の調整弁１２を接続したものである。この調整弁１２はポンプ３の前段部に設けることも可能である。本実施形態によれば、他に混合設備や動力を要することなく、ポンプの前段又はポンプ本体のサクション部に生じる真空圧力を利用して第２流体を吸入し、ポンプの回転力を利用して容易且つ効率良く攪拌混合することができる。その他の動作については上述の説明を参酌すれば理解できるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の液体処理装置は、ＰＣＢ等の有害な油類や薬品の分解や無害化処理、あるいはアルコール等の溶剤を原料としたナノカーボン材料の作製や、その他の有機材料合成を行なう等、多様な液体中にキャビテーション気泡を発生させることができ、放電及びＯＨラジカル等の活性種により効果的に分解や分散の処理を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態を示す液体処理装置の概略構成図
【図２】水中のキャビテーション気泡発生空間における放電プラズマの発光分光計測結果
【図３】本発明の他の実施形態を示す液体処理装置の概略構成図
【符号の説明】
【００２５】
１    処理槽
２    被処理液
３    ポンプ
４    リアクター
４ｂ  ノズル
５    電極
６    電極
７    放電部
８    電源
９    処理液
１０  第２液体
１１  注入管
１２  調整弁
１３  監視装置
１４  コントローラ
【図１】
2010022991.tif 000004
【図２】
2010022991.tif 000005
【図３】
2010022991.tif 000006